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开关电源电路中拓扑电感的Saber仿真辅助设计

一、(输入输出)滤波网络在电路中的地位
 
    拓扑电感(变压器)是拓扑需要,滤波电感是纹波需要,只有当拓扑电感不足以满足纹波要求时,才使用滤波电感(增加LC滤波网络)。

    这意味着:

    1、如果拓扑电感满足纹波要求,可以不要滤波电路。

    2、当拓扑电感不能满足纹波要求时,才另外单独考虑滤波电路。

    3、拓扑电感的主要任务是应对拓扑需要的能量转移,而不是应对纹波的。

    4、滤波电路的唯一任务就是滤波,不干别的。

    二、滤波网络与拓扑的关系

    所有电压型拓扑总可以这样表达:


    其中,输入电容Cin、输出电容Cout都的拓扑允许的,甚至是拓扑必须的。

    同时,Cin、Cout也可以理解为拓扑本身的、自带的滤波电路。

    这里,虚线内的滤波网络现在是一个电容,也就是二端滤波网络,但是它也可以是三端甚至四端网络。

    注意:图中没有任何电感,拓扑的电感(或者变压器)在拓扑模块内没有画出来。三、输出滤波网络

    对于大多数电压型拓扑而言,输出端总有一个电容Cout,而且这个电容就是滤波的意思。

    一般情况下,我们总可以通过调整Cout的大小满足任何需要的纹波要求。

    然而在某些情况下,我们无法通过调整Cout的大小获得需要的输出纹波,比如:

    1、满足需要的纹波时,需要的Cout太大,成本和体积不允许。

    2、在接近短路运行时(比如电焊机或者点焊机),普通电容的电流指标不能满足要求。

    3、某些应用不允许太大的Cout存在,比如逆变系统,太大的Cout将导致控制的困难。

    4、出于可靠性的考虑,在输出端不使用电解电容。

    5、高精度电源,由于电容ESR的存在,始终达不到要求的输出纹波指标。

    怎么办呢?

    其实很简单:

    1、找出能够接受的电容

    2、把这个电容一分为二

    3、中间放一个适当的电感

    4、调整这个电感直到满足输出纹波的要求。

    几点说明:

    1、一般电源都是输出有功功率,即阻性负载,这时我们直接取Co1 = Co2滤波效果最好。

    2、即使负载有部分感性成分,因为一般Co2都比较大,其容抗足以应付较大的感性负载冲击,一般不必考虑加大Co2.

    3、容性负载(比如电解电源和充电电源)时,可考虑减小Co2(即突出Co1),大幅度减小也没有关系。

    4、电焊电源可以(应该)取消Co2.

    5、谐振负载(比如超声波电源、感应加热电源)慎用此法。

    6、滤波就是滤波,别和拓扑里面的电感搅在一起,只有这样才能达到最好的效果。

    7、除特殊情况外,不建议使用两极或多级LC滤波,在总电容量和总用铜用磁量相当的情况下,单级滤波纹波效果最好,也不会产生驻波干扰。四、设计举例(典型)输出滤波

    将就上一贴的50KHz、100W(120W)反激电源为例,当前纹波指标为30mV.


    现在要求达到2mV的纹波精度。

    方法一:加大输出滤波电容:

    将现用滤波电容C2的2200uF增加15倍,即33mF,输出纹波则对应降低15倍(没考虑ESR),即等于2mV.

    如果觉得33mF25V的海量电解不好找,或者不合算,那么:

    方法二:增加一级LC滤波:

    当Co1 = Co2 = 470uF时,配合一个5A 1.3uH的电感,输出(与PWM同频的)纹波即可下降到1.6mV以下。或者:

    当Co1 = Co2 = 330uF时,配合一个5A 2.2uH的电感,输出纹波即可下降到2.0 mV左右。可见,即使增加一点点LC滤波。对输出纹波、成本、体积的改善都是非常显著的。


    再来看这个滤波电感的工况:

    电流的直流成分5.0A,交流成分0.1A左右,大约只占2%.

    也就是说,这个电感基本上就是个直流偏电感,交流成分甚微。这意味着可以不必使用高级材料,也不考虑集肤效应,用普通铁粉芯磁环单股绕制即可。

    下面是这个电感的设计参数:

    小结

    在输出端增加LC滤波网络是很简单的事情,只要将滤波电容一分为二、(随便)插入一个电感就能使(不插入电感等效于原电路)滤波效果显著提升,而且效果总是比单电容滤波效果好。因此:

    1、工程师应该随时想到:“我那个滤波电容是不是应该分成二个,中间插个小工字?”而且不用算,肯定比单电容好。

    2、此法在同等情况下提高滤波效果,或者在同等滤波效果下降低成本、缩小体积,甚至缩小PCB面积。

    3、既然不增加成本(甚至降低成本)就能够实现,因此在拓扑里面(的电感上或者控制模式上)去打主意减少纹波就是一件既费力又不讨好的事情,什么“某某拓扑、某某模式纹波大”的问题也不再应是问题。

 


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